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有限元軟件COMSOL Multiphysics在工程中的應(yīng)用

包郵 有限元軟件COMSOL Multiphysics在工程中的應(yīng)用

出版社:科學(xué)出版社出版時(shí)間:2023-04-01
開(kāi)本: B5 頁(yè)數(shù): 276
讀者評(píng)分:5分1條評(píng)論
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有限元軟件COMSOL Multiphysics在工程中的應(yīng)用 版權(quán)信息

有限元軟件COMSOL Multiphysics在工程中的應(yīng)用 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書全面介紹了多物理場(chǎng)建模與仿真軟件COMSOLMultiphysics的應(yīng)用方法,詳細(xì)介紹了該軟件應(yīng)用于多物理場(chǎng)耦合仿真領(lǐng)域的基本操作方法和工程應(yīng)用實(shí)例。全書共7章,匯集了科研工作中的具體案例,對(duì)激光粉末床熔融熔池特性、激光粉末床熔融氣孔缺陷演化、激光粉末床熔融工件表面激光清洗、激光打孔工藝、孔洞缺陷激光超聲檢測(cè)、柔性PCB板蝕刻工藝以及金絲鍵合焊點(diǎn)處熱疲勞等進(jìn)行了仿真分析。本書針對(duì)實(shí)際案例從物理模型介紹、數(shù)值模擬模型建立、問(wèn)題求解以及結(jié)果后處理方面展開(kāi),對(duì)模型初始設(shè)置、全局定義、幾何建模、材料定義、多物理場(chǎng)參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、求解參數(shù)設(shè)置以及結(jié)果后處理的每一步進(jìn)行介紹,步驟詳細(xì)、通俗易懂。讀者按照書中的步驟操作即可完成每個(gè)案例的模擬與分析,逐步熟練使用COMSOLMultiphysics軟件進(jìn)行仿真。

有限元軟件COMSOL Multiphysics在工程中的應(yīng)用 目錄

目錄
前言
第1章 激光粉末床熔融熔池特性仿真分析 1
1.1 案例介紹 1
1.2 物理模型 2
1.3 建立數(shù)值模擬模型 2
1.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 2
1.3.2 步驟2:全局定義 4
1.3.3 步驟3:構(gòu)建幾何 10
1.3.4 步驟4:定義材料 19
1.3.5 步驟5:定義“層流兩相流,動(dòng)網(wǎng)格” 20
1.3.6 步驟6:定義流體傳熱 26
1.3.7 步驟7:劃分網(wǎng)格 33
1.4 問(wèn)題求解 36
1.5 結(jié)果后處理 41
第2章 激光粉末床熔融氣孔缺陷演化仿真分析 49
2.1 案例介紹 49
2.2 物理模型 49
2.3 建立數(shù)值模擬模型 50
2.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 50
2.3.2 步驟2:全局定義 52
2.3.3 步驟3:構(gòu)建幾何 60
2.3.4 步驟4:定義材料 63
2.3.5 步驟5:定義流體流動(dòng) 64
2.3.6 步驟6:定義流體傳熱 68
2.3.7 步驟7:定義水平集 73
2.3.8 步驟8:劃分網(wǎng)格 74
2.4 問(wèn)題求解 77
2.5 結(jié)果后處理 80
第3章 激光粉末床熔融工件表面激光清洗仿真分析 83
3.1 案例介紹 83
3.2 物理模型 83
3.3 建立數(shù)值模擬模型 84
3.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 84
3.3.2 步驟2:全局定義 85
3.3.3 步驟3:構(gòu)建幾何 91
3.3.4 步驟4:定義材料 96
3.3.5 步驟5:定義流體流動(dòng) 97
3.3.6 步驟6:定義流體傳熱 100
3.3.7 步驟7:定義水平集 103
3.3.8 步驟8:劃分網(wǎng)格 105
3.4 問(wèn)題求解 108
3.5 結(jié)果后處理 109
第4章 激光定向能量沉積粉末熔化形態(tài)演化仿真分析 116
4.1 案例介紹 116
4.2 物理模型 116
4.3 建立數(shù)值模擬模型 117
4.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 117
4.3.2 步驟2:全局定義 120
4.3.3 步驟3:構(gòu)建幾何 129
4.3.4 步驟4:定義材料 132
4.3.5 步驟5:定義流體流動(dòng) 136
4.3.6 步驟6:定義流體傳熱 141
4.3.7 步驟7:定義水平集 146
4.3.8 步驟8:劃分網(wǎng)格 148
4.4 問(wèn)題求解 152
4.4.1 步驟1:相初始化設(shè)置 152
4.4.2 步驟2:瞬態(tài)設(shè)置 153
4.4.3 步驟3:穩(wěn)態(tài)求解器設(shè)置 154
4.5 結(jié)果后處理 159
第5章 孔洞缺陷激光超聲檢測(cè)仿真分析 164
5.1 案例介紹 164
5.2 物理模型 164
5.3 建立數(shù)值模擬模型 165
5.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 165
5.3.2 步驟2:構(gòu)建幾何 167
5.3.3 步驟3:全局定義 168
5.3.4 步驟4:定義材料 170
5.3.5 步驟5:設(shè)置固體力學(xué) 170
5.3.6 步驟6:設(shè)置固體傳熱 171
5.3.7 步驟7:劃分網(wǎng)格 174
5.3.8 步驟8:定義多物理場(chǎng) 175
5.3.9 步驟9:定義域點(diǎn)探針和域探針 176
5.4 問(wèn)題求解 179
5.4.1 步驟1:設(shè)置時(shí)間步 179
5.4.2 步驟2:設(shè)置求解器配置 179
5.4.3 步驟3:?jiǎn)?dòng)計(jì)算 181
5.5 結(jié)果后處理 181
5.5.1 步驟1:繪制應(yīng)力云圖 181
5.5.2 步驟2:繪制探針圖 187
第6章 柔性PCB蝕刻工藝仿真分析 189
6.1 案例介紹 189
6.2 物理模型 190
6.3 建立數(shù)值模擬模型 190
6.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 190
6.3.2 步驟2:全局定義 192
6.3.3 步驟3:構(gòu)建幾何 194
6.3.4 步驟4:添加材料 197
6.3.5 步驟5:定義稀物質(zhì)傳遞 197
6.3.6 步驟6:定義層流 200
6.3.7 步驟7:定義變形幾何 201
6.3.8 步驟8:劃分網(wǎng)格 204
6.4 問(wèn)題求解 204
6.4.1 步驟1:設(shè)置時(shí)間步 204
6.4.2 步驟2:設(shè)置求解器配置 204
6.4.3 步驟3:?jiǎn)?dòng)計(jì)算 205
6.5 結(jié)果后處理 206
6.5.1 步驟1:數(shù)據(jù)集二維鏡像 206
6.5.2 步驟2:繪制蝕刻液濃度分布云圖 207
6.5.3 步驟3:繪制蝕刻液流場(chǎng)分布云圖 209
6.5.4 步驟4:繪制蝕刻腔輪廓位置圖 211
第7章 金絲鍵合焊點(diǎn)處熱疲勞仿真分析 214
7.1 案例介紹 214
7.2 物理模型 215
7.3 建立數(shù)值模擬模型 215
7.3.1 步驟1:模型初始設(shè)置 215
7.3.2 步驟2:全局定義 217
7.3.3 步驟3:構(gòu)建幾何 221
7.3.4 步驟4:定義固體力學(xué) 234
7.3.5 步驟5:定義蠕變疲勞 239
7.3.6 步驟6:定義塑性疲勞 241
7.3.7 步驟7:定義材料 243
7.3.8 步驟8:劃分網(wǎng)格 246
7.4 問(wèn)題求解1 250
7.4.1 步驟1:設(shè)置時(shí)間步 250
7.4.2 步驟2:設(shè)置求解器配置 250
7.5 結(jié)果后處理1 251
7.5.1 步驟1:設(shè)置應(yīng)力 251
7.5.2 步驟2:繪制蠕變應(yīng)變曲線 254
7.5.3 步驟3:繪制塑性應(yīng)變曲線 254
7.5.4 步驟4:應(yīng)力應(yīng)變曲線(蠕變) 257
7.5.5 步驟5:應(yīng)力應(yīng)變曲線(塑性) 260
7.6 問(wèn)題求解2 262
7.6.1 步驟1:添加研究(蠕變) 262
7.6.2 步驟2:設(shè)置研究(蠕變) 263
7.7 結(jié)果后處理2 263
7.8 問(wèn)題求解3 264
7.8.1 步驟1:添加研究(塑性) 264
7.8.2 步驟2:設(shè)置研究(塑性) 264
7.9 結(jié)果后處理3 265
參考文獻(xiàn) 266
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有限元軟件COMSOL Multiphysics在工程中的應(yīng)用 節(jié)選

第1章激光粉末床熔融熔池特性仿真分析 1.1 案例介紹 增材制造(additive manufacturing,AM),又稱 3D打印,該技術(shù)因其獨(dú)*的“逐層制造”的加工方式,理論上可以毫無(wú)限制地造出具有任意幾何形狀的工件,有望解決生物醫(yī)療、航空航天和汽車運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)︹伜辖、鎳基合金、高?qiáng)度鋁合金、特殊合金鋼等金屬材料關(guān)鍵構(gòu)件的輕質(zhì)、高效和高可靠性需求,是新一代先進(jìn)制造的代表之一。激光粉末床熔融技術(shù)是金屬增材制造領(lǐng)域的重要技術(shù)之一,其主要思路是使用高能束激光加工基板上的粉床,打印一層,鋪一層粉,直至零件成型。 激光粉末床熔融制造工藝非常復(fù)雜,目前對(duì)激光粉末床熔融的研究大多依據(jù)試驗(yàn)手段,研究材料的組織性能,激光加工過(guò)程的物理機(jī)制并不清晰。特別是激光粉末床熔融過(guò)程中的熔池演化特性研究較少,大部分研究都是使用簡(jiǎn)化模型,忽視了一些重要的物理現(xiàn)象,導(dǎo)致模擬的準(zhǔn)確性大大降低,難以真實(shí)地反映熔池演化特性。對(duì)于熔融金屬的金屬增材制造工藝,其過(guò)程總是會(huì)涉及金屬材料的相變過(guò)程(熔融、凝固)。一般金屬合金的凝固過(guò)程都涉及“糊狀區(qū)域”,在這個(gè)區(qū)域內(nèi)固體和液體同時(shí)存在,并且在很寬的時(shí)間和空間尺度上發(fā)生了遷移現(xiàn)象,因此金屬合金熔融凝固過(guò)程的數(shù)值模擬通常具有挑戰(zhàn)性。 為了更好地理解激光粉末床熔融工藝過(guò)程中的熔池演化,以深入研究激光與材料相互作用的熔池流動(dòng)機(jī)理,本章基于多物理場(chǎng)耦合仿真軟件COMSOL Multiphysics 5.3,選用層流兩相流和傳熱模塊,考慮激光加工過(guò)程中的材料相變、表面張力、馬蘭戈尼力以及反沖壓力,建立多物理場(chǎng)耦合三維數(shù)值模擬模型,通過(guò)任意拉格朗日-歐拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)法模擬熔池自由表面的演化過(guò)程,耦合熱傳遞-流體流動(dòng)兩個(gè)物理場(chǎng),模擬熔池的傳熱、流動(dòng)、表面形貌、內(nèi)部壓力變化等多種動(dòng)態(tài)特性[1]。 本章將向讀者介紹一個(gè)激光粉末床熔融熔池特性仿真分析的案例,通過(guò)本例的學(xué)習(xí),讀者可以掌握如何使用COMSOL多物理場(chǎng)模型模擬激光粉末床熔融過(guò)程,深入了解激光加工過(guò)程的物理機(jī)制以及熔池的演化。本例中使用的計(jì)算機(jī)配置為8核@2.2GHz的中央處理器(central processing unit,CPU),4×128GB內(nèi)存,完整計(jì)算大約需32h。 1.2 物理模型 如圖 1-1所示,建立三維多物理場(chǎng)耦合模型,其中模型長(zhǎng)度 (L)×寬度(W)×高度(H)為1600μm×800μm×400μm。本案例模型材料選擇 Ti6Al4V,為了減少計(jì)算成本,選擇對(duì)稱模型,其中yz平面為對(duì)稱面,并使用任意拉格朗日-歐拉動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),保證網(wǎng)格在激光加工過(guò)程中自由變形,以提高計(jì)算精度,保證計(jì)算效率。 在空間上呈高斯分布的激光熱源加熱打印件表面,在達(dá)到材料熔點(diǎn)后,打印件上表面形成熔池,并隨著激光的移動(dòng),沿著y軸正方向移動(dòng)。同時(shí),在本案例模型中,也考慮了材料熔融和凝固過(guò)程中的相變、激光加熱過(guò)程中的馬蘭戈尼效應(yīng)、表面張力以及材料蒸發(fā)引起的反沖壓力。 1.3 建立數(shù)值模擬模型 基于上述的物理模型,建立數(shù)值模擬模型。模型建立過(guò)程主要包括:模型初始設(shè)置;全局定義;構(gòu)建幾何;定義材料;定義層流兩相流,動(dòng)網(wǎng)格;定義流體傳熱;劃分網(wǎng)格。 1.3.1 步驟 1:模型初始設(shè)置 1.打開(kāi) COMSOL Multiphysics軟件雙擊 COMSOL Multiphysics軟件快捷方式,彈出如圖1-2所示的窗口。 2.選擇空間維度 單擊“模型向?qū)А卑粹o,新建模型,彈出如圖1-3所示的選擇空間維度窗口,單擊“三維”按鈕。 3.選擇多物理場(chǎng) 在彈出的如圖 1-4所示的選擇物理場(chǎng)窗口中,先后選擇“流體流動(dòng)→多相流→兩相流,動(dòng)網(wǎng)格→層流兩相流,動(dòng)網(wǎng)格 (tpfmm)”、“傳熱→流體傳熱(ht)”選項(xiàng),單擊“添加”按鈕完成每個(gè)物理場(chǎng)的選擇。 4.添加研究 單擊位于圖1-4右下方的“研究”按鈕,彈出如圖1-5所示的選擇研究對(duì)話框,選擇“所選物理場(chǎng)接口的預(yù)設(shè)研究→瞬態(tài)”選項(xiàng),單擊“完成”按鈕。 1.3.2 步驟2:全局定義 1.定義參數(shù) 在模型開(kāi)發(fā)器窗口中,展開(kāi)“全局定義”選項(xiàng),單擊“參數(shù)”,在參數(shù)設(shè)置窗口中建立如圖1-6所示參數(shù)。其中“p_laser”代表激光功率,設(shè)定為“200[W]”;“v_laser”代表激光掃描速率,設(shè)定為“800[mm/s]”;“r_spot”代表激光光斑半徑,設(shè)定為“100[um]”(注意實(shí)際單位應(yīng)為“μm”);“emissivity”代表輻射率,設(shè)定為“0.39”。 2.定義變量 右擊“全局定義”,執(zhí)行“變量”命令,在變量設(shè)置窗口中建立如圖 1-7所示變量。其中“ y_focus”代表激光光斑移動(dòng)位置,設(shè)置為“-400[um]+v_laser*t”;“x_focus”代表激光光斑 x軸位置,設(shè)置為“0[um]”;“r_focus2”代表激光光斑大小,設(shè)置為“(x-x_focus)^2+(y-y_focus)^2”;“Flux”代表高斯移動(dòng)激光熱源,設(shè)置為“((2*p_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(-2*r_focus2/(r_spot^2))”。 3.定義高斯脈沖函數(shù) 右擊“全局定義”,執(zhí)行“函數(shù)→高斯脈沖”命令,新建高斯脈沖函數(shù)“高斯脈沖 1(gp1)”,參數(shù)設(shè)置如圖 1-8所示。 4.定義階躍函數(shù)1 右擊“全局定義”,執(zhí)行“函數(shù)→階躍”命令,新建階躍函數(shù)“階躍 1(step1)”(代表材料黏度變化),參數(shù)設(shè)置如圖 1-9所示。 5.定義斜坡函數(shù) 右擊“全局定義”,執(zhí)行“函數(shù)→斜坡”命令,新建斜坡函數(shù)“斜坡1(h_a)”,參數(shù)設(shè)置如圖1-10所示。 6.定義階躍函數(shù)2 右擊“全局定義”,執(zhí)行“函數(shù)→階躍”命令,新建階躍函數(shù)“階躍2(step2)”,參數(shù)設(shè)置如圖1-11所示。

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